陳棫端，王利敏，郭翠英，于開錄

（中國船舶重工集團(tuán)公司 第七一八研究所，河北 邯鄲 056027）

隨著核生化技術(shù)的不斷擴(kuò)散，核生化武器被使用的可能性越來越大，艦艇一旦遭受核生化武器的攻擊，就會對人員的身體健康和生命安全造成危害，使作戰(zhàn)設(shè)備及作戰(zhàn)環(huán)境受到污染，嚴(yán)重影響艦船的生命力和戰(zhàn)斗力。洗消裝備是實(shí)施艦船核生化防護(hù)的重要保障器材，當(dāng)核生化沾染無法避免時，必須對人員、船體和裝備進(jìn)行洗消，以減少或消除核生化武器襲擊造成的危害。洗消裝備的主要作用是：消除放射性沾染、消除生物污染（滅菌）和消除化學(xué)污染（消毒）。傳統(tǒng)洗消過程中需要使用水基洗消劑和強(qiáng)氧化性溶液的洗消劑，不適于敏感裝備和電子信息裝備，為適應(yīng)信息時代的洗消保障要求，必須拓展現(xiàn)有的洗消方法。低溫等離子體技術(shù)作為一項(xiàng)新型的環(huán)境治理技術(shù)，具有非水、無二次污染、對被洗消對象無破壞性等優(yōu)點(diǎn)，有望成為新一代的洗消裝備。

1 等離子體概述

等離子體是一種處于高度激發(fā)狀態(tài)的不穩(wěn)定氣體，它由大量的電子、離子、中性原子、激發(fā)態(tài)原子、光子和自由基等組成，正、負(fù)電荷數(shù)相等，整體表現(xiàn)出電中性，它被稱作除固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)之外的第4種物質(zhì)存在形態(tài)。等離子體通常可以分為高溫等離子體（熱核聚變等離子體）和低溫等離子體[1]。根據(jù)電子與離子、中性粒子的熱平衡狀態(tài)，低溫等離子體還可以再分為平衡態(tài)等離子體（也稱熱等離子體）與非平衡態(tài)等離子體（也稱冷等離子體）。低溫冷等離子體各種粒子溫度并不相同，電子的溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于離子的溫度，系統(tǒng)處于熱力學(xué)非平衡狀態(tài)，宏觀上體系溫度較低。低溫等離子體主要是由氣體放電產(chǎn)生的，放電方式可分為輝光放電、電暈放電、介質(zhì)阻擋放電、射頻放電及微波放電等。低溫等離子體內(nèi)部的活性粒子具有很高的化學(xué)活性和動能，可以與化學(xué)毒劑、細(xì)菌以及放射性物質(zhì)迅速發(fā)生作用，實(shí)施核化生洗消。

2 機(jī)理研究

2.1 消除放射性沾染機(jī)理

低溫等離子體用于放射性消除的主要機(jī)理是通過加入少量添加劑，在等離子體中產(chǎn)生大量的活性物質(zhì)，高反應(yīng)活性的等離子體與放射性物質(zhì)迅速發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成易清除的固體粉末或易揮發(fā)性物質(zhì)，即固化和氣化作用，可將不易轉(zhuǎn)移的放射性元素通過化學(xué)反應(yīng)而實(shí)現(xiàn)快速、安全轉(zhuǎn)移[2]。

2.2 消除生物污染（滅菌）機(jī)理

國內(nèi)外學(xué)者從物理、化學(xué)等方面對殺菌消毒機(jī)理進(jìn)行探索，主要?dú)w納為以下3種[3]：等離子體形成過程中產(chǎn)生的大量紫外線直接破壞微生物的基因物質(zhì)；紫外光子固有的光解作用打破微生物分子的化學(xué)鍵，最后生成揮發(fā)性的化合物如CO、CHx；通過等離子體的蝕刻作用，即等離子體中活性物質(zhì)與微生物體內(nèi)的蛋白質(zhì)和核酸發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，能夠摧毀微生物和擾亂微生物的生存功能。

2.3 消除化學(xué)污染（消毒）機(jī)理

低溫等離子體中存在很多電子、離子、活性基和激發(fā)態(tài)分子等有極高化學(xué)活性的粒子，使很多需要很高活化能的化學(xué)反應(yīng)能夠發(fā)生，使常規(guī)方法難以去除的化學(xué)污染物得以轉(zhuǎn)化或分解。數(shù)萬度的高能電子轟擊化學(xué)污染物分子，與化學(xué)污染物分子發(fā)生非彈性碰撞，將能量轉(zhuǎn)換成基態(tài)分子的內(nèi)能，發(fā)生激發(fā)、離解、電離等一系列過程，使有毒有害物質(zhì)轉(zhuǎn)變成無毒無害或低毒低害的物質(zhì)，從而達(dá)到消除化學(xué)污染的目的。

3 低溫等離子體的發(fā)生裝置

3.1 常壓等離子體噴射器（APPJ）

1997年11月美國洛斯·阿拉莫斯國家實(shí)驗(yàn)室采用射頻技術(shù)成功實(shí)現(xiàn)在常壓下氣體的等離子體大面積放電，稱為APPJ（常壓等離子體噴射器）技術(shù)[4]。該技術(shù)在美國立即受到工業(yè)界的高度關(guān)注，并被立即應(yīng)用與工業(yè)清洗、生化武器污染的清洗、殺毒滅菌、刻蝕放射性材料等領(lǐng)域。

常壓等離子體噴射器包括射頻電源（13.56MHz）、供氣源、電極、等離子體放電區(qū)間和噴口等，如圖1所示。

圖1 射頻常壓等離子體噴射器的示意圖Fig.1 Schematic diagram of atmospheric RF plasma jet

常壓等離子體噴射器由一個圓柱體的金屬射頻電極和圓筒狀的金屬地電極構(gòu)成，在圓柱體電極和圓筒地電極之間有一個圓筒狀的放電縫隙，在電極的一端用絕緣材料密封，另一端設(shè)有一個噴口，工作氣體在電極之間的縫隙間高速流動，射頻功率源加速自由電子，使自由電子獲得較高的能量。這些高能電子與工作氣體發(fā)生非彈性碰撞，產(chǎn)生大量的高能電子、原子氧、亞穩(wěn)態(tài)氧等活性等離子體流。在壓力推動下，等離子體從噴口高速噴出，撞擊到受污染的表面，與受污染表面的核生化戰(zhàn)劑快速反應(yīng)而達(dá)到洗消目的。

王守國采用APPJ技術(shù)，在輸入功率為50W，Ar流量為 15L·min-1，N2流量為 100mL·min-1條件下，等離子體束流可以直接噴射到人體上對皮膚進(jìn)行消毒[5]，見圖 2。

圖2 常壓低溫等離子體對皮膚進(jìn)行消毒Fig.2 Atmospheric low temperature sterilization for skins

Herrmann等人在美國Dugway陸軍試驗(yàn)場和Edgewood生化中心進(jìn)行了實(shí)毒試驗(yàn)，研究結(jié)果表明APPJ可以對表面沾染的芥子氣、梭曼、V x等化學(xué)毒劑實(shí)施有效洗消。并且通過冷卻電極，可以使等離子體在75℃下仍能獲得較好的洗消效果，從而使對敏感設(shè)備和人員的洗消也成為可能[6]。Herrmann等人采用APPJ對炭疽模擬劑桿狀菌孢子進(jìn)行滅菌研究，發(fā)現(xiàn)在4.5s內(nèi)即可殺死距離噴口0.5cm處的桿狀菌孢子[7]。Sharma等人用射頻常壓等離子體對大腸桿菌樣本進(jìn)行處理，發(fā)現(xiàn)在2s內(nèi)大腸桿菌樣本濃度降低了5個量級[8]。韓國首爾國立大學(xué)核等離子體實(shí)驗(yàn)室的Yong-Hwan Kim等人采用大氣壓噴射等離子體源對涂有鈷氧化物的金屬表面進(jìn)行消除研究，在He等離子體中加入少量CF4和O2作為鈷的羰基化和氟化添加劑，探索了射頻功率、處理時問和CF4/O2氣體流量比對消除效果的影響，結(jié)果表明，處理l0min即可獲得95%的消除率[9]。

3.2 介質(zhì)阻擋放電（DBD）

1985年，Siemens發(fā)明了介質(zhì)阻擋放電（DBD），介質(zhì)阻擋放電是在放電空間插入絕緣介質(zhì)的一種氣體放電。當(dāng)在放電電極上施加一定頻率（50Hz～500kHz）的足夠高的交流電壓時，電極間的氣體就會被擊穿而形成低溫等離子體[10]。介質(zhì)阻擋放電能夠在大氣壓下產(chǎn)生大體積、高能量密度的低溫等離子體。介質(zhì)阻擋放電裝置可以設(shè)計(jì)成各種各樣，電極形狀有平板式和圓筒式兩種；從介質(zhì)的數(shù)量看，有單層介質(zhì)和雙層介質(zhì)兩種；介質(zhì)位置可以覆蓋在電極上，也可以懸掛在放電空間里,如圖3所示。

圖3 介質(zhì)阻擋放電裝置示意圖Fig.3 Schematic diagram of DBD plasma

Laroussi利用常壓介質(zhì)阻擋輝光放電對細(xì)菌細(xì)胞進(jìn)行處理，發(fā)現(xiàn)在不到10min的時間內(nèi)，每毫升氣體中有106個細(xì)胞發(fā)生了變化[11]。美國Tennessee大學(xué)ROTH領(lǐng)導(dǎo)的研究小組采用DBD產(chǎn)生的常壓輝光等離子體（OAUGDP）進(jìn)行了大量滅菌研究，結(jié)果表明在25s內(nèi)大腸桿菌存活率下降5個量級[12]。

3.3 電暈放電

電暈放電是使用曲率半徑很小的電極，如針狀電極或細(xì)線狀電極，并在電極上加高電壓。由于電極的曲率半徑很小，而靠近電極區(qū)域的電場特別強(qiáng)，電子逸出陽極，發(fā)生非均勻放電，稱為電暈放電[13]。電暈放電裝置是由電源、針狀電極板和平板電極所組成，如圖4所示。

圖4 電暈放電裝置示意圖Fig.4 Schematic diagram of corona discharge plasma

當(dāng)針狀電極與電源的負(fù)極相連，而平板電極與電源正極相連時，射向樣品的是以電子流為主，我們稱它為負(fù)電暈。反之則以正離子流為主，我們稱它為正電暈。

閆學(xué)鋒等采用脈沖電暈放電反應(yīng)器對芥子氣模擬劑2-氯乙基乙基硫醚（2-chloroethylethylsulfide，CEES）進(jìn)行了降解研究，結(jié)果表明在氣體流量為1100mL·min-1的條件下,含硫毒劑模擬劑CEES殘余濃度低于 4mg·m-3，洗消率達(dá) 99.6%[14]。

4 展望

低溫等離子體技術(shù)在環(huán)境治理、醫(yī)療衛(wèi)生、材料表面處理等多個領(lǐng)域，已顯示出了很高的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。該技術(shù)在大面積地域、敏感設(shè)備、皮膚和個人裝備等洗消領(lǐng)域，具有廣闊的發(fā)展前景，也取得了一定的研究成果，但要轉(zhuǎn)化為洗消裝備，還有很多內(nèi)容有待完善。今后的研究方向有：（1）進(jìn)一步深入研究低溫等離子體的消毒、滅菌和消除放射性沾染機(jī)理，為后續(xù)研究提供可靠的理論依據(jù)；（2）通過研究各種不同放電方式下的低溫等離子體洗消效率，選取適合的低溫等離子體洗消工藝；（3）結(jié)合其他洗消技術(shù)，研究低溫等離子體技術(shù)與其他洗消技術(shù)的聯(lián)合使用，通過優(yōu)勢互補(bǔ)，更好地解決洗消中出現(xiàn)的各類問題。

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